提高太阳能电池转换效率的关键技术(编辑修改稿)

提高太阳能电池转换效率的关键技术(编辑修改稿)内容摘要：

并不一致，一般来说，量子效率 (外量子效率 )是指入射多少光子产生多少电子的比率，即入射到电池上的每个光子产生的电子 空穴对或少数载流子的数目，而收集效率 (内量子效率 )是指吸收多少光子产生多少电子的比率，即在电池中被 吸收的每个光子产生的电子空穴对或少数载流子的数目。 能量转换效率是输入多少的光能够产生多少电能的比率数。 由于入射的光子不一定都被吸收，产生的电子不一定都产生电能，因此一般而言，内量子效率最高，而能量转换效率最低，但它们都是可以测量或计算的。 在太阳能电池中，只有那些能量大于其材料禁带宽度的光子才能在被吸收时产生电子 空穴对，而那些能量小于禁带宽度的光子即使被吸收也不能产生电子 空穴对 (它们只是使材料变热 )。 这就是说，材料对光的吸收存在一个截止频率（长波限）。 并且当禁带宽度增加时，被材料吸收的总太阳能就越来越少。 对太阳辐射光线来说，能得到最好工作性能的半导体材料，其截止波长应在 m以上，包括从红色到紫色全部可见光。 每种太阳能电池对太阳光线都有其自己的光谱响应曲线，它表示电池对不同波长的光的灵敏度 (光电转换能力 )。 太阳能电池的光谱响应特性在很大程度上依赖于太阳能电池的设计、结构、材料的特性、结的深度和光学涂层。 使用滤光膜和玻璃盖片可以进一步改善光谱响应。 太阳能电池的光谱响应随着温度和辐照度损失而变化。 清华 大学 2020 届毕业论文 第 12 页 共 42 页 伏安特 性 太阳能电池在短路条件下的工作电流称为短路光电流（ scI ） ，短路光电流等于光子转换成电子 空穴对的绝对数量。 此时，电池输出的电压为零。 太阳能电池在开路条件下的输出电压称为开路光电压 ( ocV )，此时，电池的输出电流为零。 具有 PN结的太阳能电池在不受光照时，相当于一个二极管，外加电压和电流的关系曲线叫作光电池的暗特性曲线，如图 b 曲线。 在一定的光照下，可以得出端电压和电路中通过负载的工作电流的关系曲线，叫作光电池的伏安特性曲线，如图 a 曲线。 其中，mV 表示最大功率点电压， mI 表示最大功率点电流， mP 为最大功率点功率，表示为：mmm VIP 。 在一定的日照强度和温度下，太阳能电池有唯一的最大输出功率点，太阳能电池只有工作在最大功率点才会使其输出的功率最大。 图 太阳能电池在无光照和光照下的电流 电压曲线 在一定的光照下，光生电流 IL是一个常量。 这两条曲线在第四象限所包围的区域就是太阳能电池的输出功率区域。 把曲线上下翻转，平移坐 标轴位置，即可以得到通常使用的伏安特性曲线，如图。 曲线在 I 轴上的截距为短路电流 scI ，在 V 轴上的截距为开路电压 ocV。 图 R 时的 VI 关系，称为负载线。 负载电阻 R为某一值时的直线与特性曲线的交点坐标为使用这个负载电阻时的端电压 V 和电流 I。 清华 大学 2020 届毕业论文 第 13 页 共 42 页 图 太阳能电池的伏安特性曲线 温度特性 太阳能电池的开路电压 ocV 随着温度的上升而下降，大体上温度每上升 1℃，电压下降 ；短路电流 scI 则随着温度的上升而微微地上升；电池的输出功率 P则随着温度的上升而下降，每升高 1℃，约损失 ％ ％。 温度对太阳能电池的影响：载流子的扩散系数随温度的增高而增大，所以少数载流子的扩散长度也随着温度的升高稍有增大，因此，光生电流也随着温度的升高有所提高。 但是 I 随温度的升高指数增大，而ocV 随温度的升高急剧下降。 当温度升高时， IU 曲线形状改变，填充因子下降，故转换效率随温度的增加而降低。 图 特性曲线和常温下不同日照的输出特性曲线。 图 清华 大学 2020 届毕业论文 第 14 页 共 42 页 图 由特性曲线可知，效率随着照度的上升而上升，因此可以通过提高电池单位面积上的照度来提高电池效率，即使用聚光技术。 效率又随着温度的上升而下降，即太阳能电池转换率具有负的温度系数。 所以在应用时，如果使用聚光器，则聚光器的聚光倍数不能过大，以免造成结温过高使电池转换率下降甚至损害电池。 此外，在聚光电池系统中应加有相应的电池冷却装置。 太阳能电池主要参数 不论是一般的化学电池还是太阳能电池，其输出特性一般都是用如图 安特性曲线来表示，短路电流 scI ，开路电压 ocV ，最大输出功率 mP 是它的主要输出参数。 转换效率  和填充因子 FF 是衡量电池品质的主要参数。 (1)光伏电池的光电转换效率是指电池受光照时的最大输出功率 mP 与照射到电池上的入射光的功率 inP 的比值，用式子表示为： %100 in mminm P IVPP () 式中， mI 和 mV 分别为光伏阵列最大电流 (A)和最大电压 (V)。 光伏电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构、结构特性、材料特性、工作温度和环境温度变化等有关。 在温度恒定的情况下，电池的转换效率会随光强的增加而增加。 对于一个给定的功率输出，电池的转换效率决定了所需的电池 板的数量，所以电池达到尽可能高的转换效率是极其重要的。 而这个结论清华 大学 2020 届毕业论文 第 15 页 共 42 页 就为提高转换效率提供了一种途径：可以通过加装聚光器来加强光照强度，从而减少光伏电池的使用，降低光伏发电的成本。 (2)填充因子 又称曲线因子，即光伏电池最大功率与开路电压 Voc 和短路电流 Isc乘积的比值，用符号 FF表示： scocmmSCocm IV IVIV PFF  () 填充因子是评价光伏电池性能优劣的一个重要参数。 影响填充因子的因素是 多方面的，它既和电池材料的 PN结曲线因子常数、串联电阻 sR ，并联电阻 shR 等内部参数有关，还与光伏电池的工作温度、光照强度等外部条件有关。 一般 FF l，它的值越高，表明光伏电池输出特性越近于矩形，电池的光电转换效率越高 [1315]。 太阳能电池等效电路和效率分 析 太阳能电池等效电路 太阳能电池受光的照射便产生电流。 这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可以将电池看作恒流电源。 太阳能电池可看作 PN结型二极管，在光的照射下产生正向偏压，所以在 PN结为理想状态的情况下，可等效为电流源和一个理想二极管的并联电路。 但是在实际的太阳能电池中，由于电池表面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻 sR 来表示；同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻 shR 来等效表示 [16]。 此时的等效电路可用图 ，太阳能电池的输出电流 I 可表示为： shsn K TIRVqssh R IRVeIII s    1)( () 式中， shI 为光生电流 (A)； sI 为二极管的反向饱和电流 (A)； V 为太阳能电池输出电压(V)； q 为单位电荷 ( k库仑 )； K 为玻耳兹曼常数 ( J／ K)； T 为绝对温清华 大学 2020 届毕业论文 第 16 页 共 42 页 度 (K)； n 为二极管指数。 图 太阳能电池等效电路 当太阳能电池两端开路时，即负载阻抗为无穷大时，电池的输出电流 I 为零，此时的电压为电池的开路电压 ocV。 在式 ()中，令 0I ，则有： shoK TqVssh RVeII oc   1 ()  1lnsshocshoc IRVIqn K TV () 式 ()表明，开 路电压 ocV 不受串联电阻 sR 的影响，但与并联电阻 shR 有关。 可以看出，shR 减小时， ocV 会随之减小。 太阳能电池两 端短路即负载阻抗为零时，电池电压 V 为零时，此时的电流为短路电流 scI。 在式 ()中令 0V ，得： shss K TRqIsshsc R RIeIII ssc   1 () 考虑到一般情况下 RsRsh，可化为：   1nK TRqIsshscssceIII () 式 ()表明，短路电流基本与并联电阻 shR 无关，但受串联电阻 sR 的影响，随着 sR 的清华 大学 2020 届毕业论文 第 17 页 共 42 页 增大，短路 scI 电流会减小。 通常，在现代太阳能电池中， shR 的值一般很大，故式 ()中的最后一项通常忽略不计，这时式 ()变成：    1)( nK TIRVqssh seIII () 当参数 shI ， sI ， sR ， n 确定之后，根据上式可以确定太阳能电池的输出特性。 影响太阳能电池转换效率的因素 前面所叙述的太阳能电池转换效率的理论值都是在理想状况下得到的。 而太阳能电池在光电转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比理论极限效率要低。 以 PN结硅电池为例，下面我们来分 析影响太阳能电池转换效率的主要因素。 (1)光生电流的光学损失 太阳能电池的效率损失中，有三种是属于光学损失，其主要影响是降低了光生电流值。 反射损失就是从空气 (或真空 )入射到半导体材料的光的反射。 以硅为例，在工作范围内的太阳能光谱中，超过 30％的光能被裸露的硅表面反射掉了，因而硅电池表面一般会涂上减反射膜 SiN。 栅指电极遮光损失就是定义为栅指电极遮光面积在太阳能总面积中所占的百分比。 对一般电池来说， c 约为 415％。 透射损失 就是如果电池厚度不足够大，某些能量合适能被吸收的光子可能从电池背面穿出，这决定了半导体材料的最小厚度。 间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。 (2)光生载流子的收集效率 由于材料的缺陷等原因，所产生的电子及空穴等载流子发生再结合作用，使部分载流子消失掉。 光照射 PN结激发出来的电子 空穴对不一定会全部被 PN结的自建电场所分离。 我们把受激产生的电子 空穴对数目与被 PN结势垒所分离的电子 空穴对数目之比叫做收集效率。 半导体中电场产生的偏移效应和电荷浓度梯度产生的扩散效应导致电子 空穴的移动。 过剩载流子是超过 热平衡状态存在的载流子，通常在某个时间常数下，具有返回平衡状态的倾向。 人们把这个时间常数叫做过剩载流子寿命。 因此，在电子 空清华 大学 2020 届毕业论文 第 18 页 共 42 页 穴对从产生的地方分别向 PN两层移动所需要的时间比过剩载流子寿命还要长的情况下，电荷将不会被 PN结势垒所分离，对光生电压的产生没有贡献。 这样，收集效率就由过剩载流子的寿命和 PN结的位置来决定。 (3)影响开路电压的实际因素 决定开路电压 ocV 大小的主要物理过程是半导体的复合。 半导体复合率越高，少子扩散长度越短， ocV 也就越低。 在 PSi衬底中，影响非平衡少子总复合率的三种复合机理是：复合中心复合、俄歇复合及直接辐射复合。 总复合率主要取决于三种复合中复合率最大的一个。 对于高质量的硅单晶，当掺杂浓度高于 1017 3cm 时，则俄歇复合产生影响，使少子寿命降低。 通常，电池表面还存在表面复合，也会降低 ocV 值。 (4)辐射效应 应用在卫星上的太阳能电池受到太空中高能离子辐射，产生缺陷，使电池输出功率下降，影响其使用寿命。 (5)电极接触不良或设计不合理使串联电阻增加，不能有效地收集载流子。 提高太阳能电池转换效率的各种技术 针对 ，我认为有以下几种提高其转换效率的方法，见表。 表 损失原因 防止技术 表面光反射 采用减反射膜 表面进行凹凸处理 合理设计电极 载流子再结合 加一层钝化膜层 控制杂质浓度 加背面场 合理设计电极 清华 大学 2020 届毕业论文 第 19 页 共 42 页 (1)减反射损失技术 为了减少太阳光的反射损失，一般采用下面两种技术： 1)采用减反射膜。 常用减反射膜有含氧量为 12的硅氧化物 (SiOx )与钛氧化物 (TiOx )等。 单独采用一层反射膜效果不好，为此，大多采用二层减反射膜，如由 Ti02和 MgF2所组成的减反射膜或由。